LTE tabanlı hızlı demiryolu kablosuz ağlarda radyo kaynak yönetiminin dinamik optimizasyonu

Demiryolları her zaman yeni iletişim teknolojilerinin erken benimseyicisi olmuştur. İletişim teknolojilerinde vazgeçilmez demiryolu bağımlılığı her geçen gün artmaktadır. Bu nedenle, demiryolları tarafından seçilen iletişim teknolojisinin yetenekleri ve güvenilirliği demiryollarının yeteneklerini ve güvenilirliklerini belirler. Bir başka ifadeyle, iyi ve güvenilir bir iletişim, iyi ve güvenilir bir demiryolu sistemi için bir temel oluşturacaktır. Aksi takdirde, iletişim sistemlerin kısıtlamaları ve arızaları bütün demiryolların sınırlamasını ve arızalanmasını sebep olur. Böylece, Demiryolları için en önemli kriter doğru iletişim ağı seçmektir. Hızlı demiryolu, hızlı toplu taşıma sistemi olarak dünya çapında yayılmıştır. Yüksek hızlı demiryolu altyapısı artan miktarda kontrol ve multimedya yayınlarına sahiptir. Bu özelliği kullanarak,hem ulaşımın güvenliğini ve verimliliğini sağlamasını hem de internet servisleri için yolcuların artan talebini desteklemesini kolaylaştırır. Hızlı demiryolu hızlı gelişmesi ile birlikte, demiryolu mobil iletişim sistemi için farklı hızlı demiryolu bileşenleri için daha yüksek teknik gereksinimler ortaya çıkar. Uzun ömürlü demiryolu ağı, GSM-R, güvenilirlik ve birlikte çalışabilirlik açısından tartışılmaz başarısı olsa da, verimlilik, yetersiz kapasite ve sınırlı veri iletim konusunda dezavantajlara sahiptir. Bu önemli dezavantajlar nedeniyle, demiryolu ve telekomünikasyon operatörleri gelecekteki iletişim sistemleriyle ilgili yeni seçenekler bulmak için alternatifleri incelemektedir. Demiryolun operasyonunu desteklemek için gelişmiş mobil iletişim teknolojileri kullanılırsa, işlem kontrolü, emniyeti ve güvenilirliği bakımından gelişmiş özellikler ve yetenekler elde edilebilir. Yeni nesil demiryolu iletişim sistemlere aşağıdaki alanları sağlaması bekleniyor: 1. Operasyonel gerçek zamanlı video. 2. Uzaktan ve sürücüsüz çalışması için gereken ses ve veri bilgileri. 3. Uzaktan-teşhis bakımı. 4. Tren içi video gözetimi. 5. Istasyon personeleri, yerleşik personeleri, ray-tarafı birimleri ve diğer hareketli trenler arasındaki yüksek hızlı iletişim bağlantıları. Ek olarak, yolcu deneyimini iyileştirmek için gelecekteki demiryolu sistemleri için yeni etkileşimli müşteri hizmetleri sağlanmasını planlanıyor. Örneğin, yolculara yolculuk sırasında kesintisiz ve yüksek hızlı internet hizmetleri sağlanması. LTE, mobil iletişim standartlarının en son sürümü olduğundan, GSM için doğal bir halef olmaktadır. Gerçek zamanlı ve gerçek zamanlı olmayan hizmet için birleştirilmiş düz bir mimari sağlar ve yüksek veri aktarım hızına sahip kullanıcıları destekler, düşük gecikme süresi ve optimum paket erişimi kablosuz teknolojisi. Böylece, LTE-R, GSM-R'nin yerini alan en güçlü adaydır. LTE'nin yapısındaki en dikkata değer özelliği, LTE-R'nin tek bir IP tabanlı çekirdek ağ üzerinde yolcular için tren kontrolü, yerleşik video gözetimi ve bilgi-eğlence hizmetleri için ses ve veri taşımasına sağlamasıdır. Üstelik, LTE ağının Düşük gecikmesi, zamana duyarlı uygulamaların desteklenmesine izin verir ve QoS yönetimi sağlar. LTE-R birçok farklı frekans bandlarında kullanılabilir ve güvenlik amacıyla şifreleme ve kimlik doğrulama ile ilgili birçok özelliklere sahiptir. GSM-R tamamen demiryoluna özel bir şebekedir. Diğer ağlardan bağımsızdır ve doğrudan yolculara herhangi bir hizmet sunmaz. Ancak, öte yandan, LTE-R, LTE şebeke operatörüne dayanan ve bağlı bir demiryolu iletişim sistemidir. Bu nedenle, LTE şebeke kaynakları demiryolu işletmecisi ve telekomünikasyon operatörü kullanıcıları arasında paylaşılacaktır. Demiryolu ortamında bu sorun teşkil eder çünkü çekirdek demiryolu hizmetleri ile sıradan kullanıcı hizmetleri arasındaki herhangi bir çatışma ölümcül olabilir. Bu nedenle, LTE tabanlı HSR şebekesinde veri önceliklendirmesi ve kontrol (operasyonel) ve kullanıcı (operasyonel olmayan) servisler ile trafik arasındaki kritik önemdeki ayrıma vurgu HSR ortamlarında radyo kaynak yönetimi (RRM) şemalarını incelemek ve araştırmak için bir motivasyon olarak hizmet eder, etkin bir kaynak kullanımını sağlamak ve sistem performansını artırmak için bir araç olarak kullanmaktır. RRM üç ana elementlerden oluşur: kabul denetimi, kaynak ayırma ve güç denetimi. HSR ağı için kaynak yönetimi şemalarının araştırma sonuçlarını toplayan ve özetleyen bu çalışmada kapsamlı bir anket yapılmıştır. Anketin sonuçları, literatürdeki mevcut RRM çalışmalarının çoğunun bağımsız olarak tek bir RRM elemana odaklandığını göstermektedir. Bununla birlikte, daha iyi bir sistem performansı elde etmek için, çapraz katmanlı yolu kullanarak RRM elemanları birlikte optimize etmek. Böylece, farklı katmanlardan kaynaklanan farklı gereksinimleri ve kısıtlamaları karşılama şansımızı artırmış oluruz. bu yöntem aşırı derecede yararlı olduğunu bulunmuş fakat hala bazı zorlayıcı yanları vardır. Böyle çapraz katman optimizasyon modelleri, bu tabakalardaki doğal ticaret kapalılıklarını kapsamlı ve optimal şekilde yakından takip eder. Yukarıdaki açıklamalar ışığında, bu çalışma, LTE tabanlı HSR kablosuz ağlarda, çapraz katman tasarım metodolojisini kullanan ve kaynak ayırma, kabul ve güç kontrolünü optimize eden gecikmeli bir optimizasyon çerçevesi sunuyor. Önerilen çerçeve, HSR altyapısının dinamik ağ yönetimine ilave bir gecikme kısıtlaması getirerek ve dolayısıyla ağın çıkış performansını maksimize ederek yukarıda belirtilen hususları ortaklaşa optimize ederek literatürdeki önceki çalışmaları genişletmektedir. Önerilen şema ortalama gecikme kısıtlamaları altında sistem yararını en üst düzeye çıkarır, kuyruk kararlılığı ve ortalama gücü, kuyruk kararlılık problemine dönüştürülen birleşik stokastik problemi formüle ederek hesaplar. Lyapunov sürüklenme teorisini kullanarak kuyruk kararlılık sorunu ayrı konveks altproblemlere ayrıştırılır. Altın bölüm arama yöntemi, kaynak tahsisi altproblemi için küresel olarak en uygun çözümü elde etmek için kullanılır. Son olarak, dağıtılmış bir dinamik kaynak yönetim tekniği önerilmiş ve performansı, HSR kablosuz ağlar için gerçekçi koşullar altında değerlendirilmiştir. Sayısal simulasyonlar MATLAB üzerinde gerçekleştirildi ve elde edilen sonuçlara göre, önerilen yaklaşımın, verimlilik performansı iyileştirilmesini ve ortalama gecikme gereksinimlerini karşılarken bağlantı kapasitesinin arttırılmasını sağlamaktadır.